Que é un láser crioxénico

O concepto de láseres que funcionan a baixas temperaturas non é novo: o segundo láser da historia foi o crioxénico. Inicialmente, o concepto era difícil de conseguir para funcionar a temperatura ambiente, e o entusiasmo polo traballo a baixa temperatura comezou na década de 1990 co desenvolvemento de láseres e amplificadores de alta potencia.

En alta potenciafontes láser, os efectos térmicos como a perda de despolarización, a flexión da lente térmica ou o cristal láser poden afectar o rendemento dofonte de luzMediante o arrefriamento a baixa temperatura, pódense suprimir eficazmente moitos efectos térmicos nocivos, é dicir, o medio de ganancia debe arrefriarse a 77 K ou incluso a 4 K. O efecto de arrefriamento inclúe principalmente:

A condutividade característica do medio de ganancia vese moi inhibida, principalmente porque se aumenta o percorrido libre medio da corda. Como resultado, o gradiente de temperatura diminúe drasticamente. Por exemplo, cando a temperatura se reduce de 300 K a 77 K, a condutividade térmica do cristal YAG aumenta por un factor de sete.

O coeficiente de difusión térmica tamén diminúe drasticamente. Isto, xunto cunha redución do gradiente de temperatura, resulta nun efecto de lente térmica reducido e, polo tanto, nunha menor probabilidade de rotura por tensión.

O coeficiente termoóptico tamén se reduce, o que reduce aínda máis o efecto de lente térmica.

O aumento da sección transversal de absorción dos ións de terras raras débese principalmente á diminución do ensanche causado polo efecto térmico. Polo tanto, a potencia de saturación redúcese e a ganancia do láser aumenta. En consecuencia, a potencia de bombeo limiar redúcese e pódense obter pulsos máis curtos cando o interruptor Q está en funcionamento. Ao aumentar a transmitancia do acoplador de saída, pódese mellorar a eficiencia da pendente, polo que o efecto de perda da cavidade parasitaria se volve menos importante.

O número de partículas do nivel total baixo do medio de ganancia de cuasi tres niveis redúcese, polo que se reduce a potencia de bombeo limiar e se mellora a eficiencia enerxética. Por exemplo, o Yb:YAG, que produce luz a 1030 nm, pódese ver como un sistema de cuasi tres niveis a temperatura ambiente, pero como un sistema de catro niveis a 77 K. Er: O mesmo ocorre co YAG.

Dependendo do medio de ganancia, a intensidade dalgúns procesos de extinción reducirase.

Combinado cos factores anteriores, o funcionamento a baixa temperatura pode mellorar moito o rendemento do láser. En particular, os láseres de arrefriamento a baixa temperatura poden obter unha potencia de saída moi alta sen efectos térmicos, é dicir, pódese obter unha boa calidade do feixe.

Unha cuestión a ter en conta é que nun cristal láser crioenfriado, o ancho de banda da luz radiada e da luz absorbida reducirase, polo que o rango de axuste de lonxitude de onda será máis estreito e o ancho de liña e a estabilidade da lonxitude de onda do láser bombeado serán máis estritos. Non obstante, este efecto adoita ser pouco frecuente.

A refrixeración crioxénica adoita empregar un refrixerante, como nitróxeno líquido ou helio líquido, e idealmente o refrixerante circula a través dun tubo conectado a un cristal láser. O refrixerante repónse co tempo ou recíclase nun circuíto pechado. Para evitar a solidificación, adoita ser necesario colocar o cristal láser nunha cámara de baleiro.

O concepto de cristais láser que funcionan a baixas temperaturas tamén se pode aplicar aos amplificadores. O zafiro de titanio pódese usar para fabricar amplificadores de retroalimentación positiva, cunha potencia de saída media en decenas de vatios.

Aínda que os dispositivos de refrixeración crioxénica poden complicarsistemas láser, os sistemas de refrixeración máis habituais adoitan ser menos sinxelos e a eficiencia do refrixeración crioxénica permite reducir en certa medida a complexidade.